DEP0021404DA - Dieselmotor, insbesondere schnellaufender Fahrzeugdieselmotor - Google Patents

Description

Das bei Dieselmotoren angewandte Verdichtungsverhältnis war bisher so hoch bemessen, dass eine sichere Zündung gewährleistet wurde. So ist bei normalen Dieselbrennstoffen der aliphatischen Reihe in Motoren mit Vorkammer u.dgl. etwa (Epsilon) = 21 erreicht, es liegt bei Motoren mit direkter Einspritzung heute aber fast allgemein bei etwa (Epsilon) = 17.

Die Erfindung weicht auf Grund von neuen Erkenntnissen und Erfahrungen von dieser Regel ab. Sie schafft einen Dieselmotor, insbesondere einen schnellaufenden Dieselmotor für Fahrzeuge, also mit verhältnismässig geringen Zylinderdurchmessern, der unter Verwendung der erwähnten normalen Brennstoffe einen erheblich höheren Verdichtungsgrad aufweist, als es die Bedingung der Selbstzündung verlangt. Wesentlich ist dabei die bauliche Ausgestaltung der Brennkammer als Hohlraum mit grossem Inhalt bei kleiner Oberfläche, in welchem praktisch die ganze Luftladung sich geballt in der Nähe der Düse sammelt und in die Brennstoff dann direkt eingespritzt wird. Ein derartiger Motor weist z.B. bei einem Verdichtungsverhältnis von beispielweise etwa 23 an erhebliche Fortschritte in der Ausnutzung des Brennstoffes und in ruhigem Gang auf.

Der Motor gemäss der Erfindung hat ein Druckdiagramm, das die bekannte scharfe Spitze bei der Verbrennung - in Abbildung 1 mit a bezeichnet - nicht mehr zeigt. Alle bisherigen Dieselmotoren mit direkter Einspritzung haben dieses Merkmal, das sich im Betrieb durch harten Gang bemerkbar macht und seine Ursache in dem sogenannten Zündverzug - den Zeitraum zwischen dem Beginn der Entflammung und dem Einspritzbeginn - besitzt.

Je geringer der Zündverzug ist, umso ruhiger läuft der Dieselmotor. Es liegt also nahe, Mittel zu verwenden, durch die der Zündverzug verringert wird. Hierzu gehört die Verwendung von besonderen Brennstoffen oder Brennstoffgemischen, die sich schneller entzünden, ferner eine besondere Ausgestaltung der Einspritzdüse und des Verbrennungsraumes derart, dass der Brennstoff möglichst gleichmässig auf den Brennraum verteilt ist. Es zeigt sich, dass unter gleichen Verdichtungsgraden der Höchstdruck im Diagramm bei Maschinen mit kurzem Zündverzug niedriger liegt, als bei solchen mit längerem Zündverzug, und dass das Diagramm eine oben abgerundete Form aufweist, die das Kennzeichen ruhigen Ganges ist. Sie Linienzug b in Abbildung 1. Es wirkt aber auch eine Erhöhung des Verdichtungsenddruckes über das durch die Selbstzündung gebotene Mass, also eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses auf eine Abkürzung des Zündverzuges hin. Von dieser Massnahme macht die Erfindung Gebrauch und zwar - wie oben gesagt - in der Weise, dass der Wert auf ein Mass erhöht wird, das über dem liegt, das zur Einleitung der Zündung benötigt wird. Es zeigt sich, dass dabei eine Steigerung des im Zylinder auftretenden Höchstdruckes entgegen der Befürchtung nicht einzutreten brauch, dass aber das Diagramm die in Abbildung 1 mit c bezeichnete völlige, oben abgerundete Form annimmt. Die Linienzüge a und b sind für (Epsilon) = 17, der Linienzug c ist für (Epsilon) = 30 gezeichnet.

Es sei erwähnt, dass schon gelegentlich darauf hingewiesen wurde, dass der Zündverzug durch die Höhe der Verdichtung günstig beeinflusst wird. Es geschah dies aber weder in der Absicht, eine über das notwendige gesteigerte Verdichtung zu empfehlen, noch konnte daraus entnommen werden, dass eine ganz besondere hohe Verdichtung besonders vorteilhaft sein würde. Vielmehr geschah dieser frühere Hinweis mit gleichzeitigen Darlegungen über vermeintliche Nachteile, die mit höherer Verdichtung eintreten, oder aber die hohe Verdichtung geschah in Sonderfällen zu besonderen Zwecken. So wurde sie zum Beispiel vorgeschlagen, um schlecht zündfähige aromatische Brennstoffe überhaupt erst zündfähig zu machen, lag also nicht im Bereich der Erfindung, die ja gerade höhere Verdichtungsgrade fordert, als die Selbstzündung verlangt.

Ein hoher Verdichtungsgrad von beispielsweise 30 bring nach der bekannten Formel für den theoretischen thermischen Wirkungsgrad (Eta) = auch eine innere Verbesserung der Maschine mit sich. Gegenüber einem bisherigen Dieselmotor mit (Epsilon) gleich 17 und (Eta) gleich 0,680 ergibt sich bei (Epsilon) gleich 30 ein (Eta) von 0,744, also ein Gewinn von 0,064, d.h. eine Verbesserung um etwa 9%. Das scheint zunächst nicht viel.

Die Bedeutung dieses Gewinnes erscheint aber in einem anderen Licht, wenn man die gewinnbare Leistung betrachtet, die sich aus dem Druckdiagramm ergibt. Diese indizierte Leistung ist bei dem neuen Motor nicht, wie man zunächst annehmen sollte, um das Verhältnis von 0,744 zu 0,680 grösser, sondern um mehr. Es zeigen nämlich Versuche, dass der Gewinn von 0,064% des thermischen Wirkungsgrades bei der indizierten Leistung im neuen Motor nicht nur ohne Verluste erhalten bleibt, sondern unter Umständen gesteigert wird, d.h. dass der Gütegrad der Maschine höher geworden ist. Das bedeutet praktisch eine Verminderung des spezifischen Brennstoffbedarfes um mehr als die oben errechnete Verbesserung von 9%.

Betont muss werden, dass diese Vergleiche für Motoren gelten, die mit demselben normalen Brennstoff arbeiten, also bei den üblichen Verdichtungen von 17 die bekannte Diagrammspitze bei der Verbrennung zeigen. Die Wahl von Brennstoffen mit besonders geringem Zündverzug oder sonstiger Mittel ist also zum Erreichen der Vorteile gemäss der Erfindung nicht nötig.

Eine Ausnahme hiervon macht die eingangs angegebene Bedingung, dass ein Verbrennungs- (Verdichtungs-) Raum von geballter Form gewählt werden soll, wobei ein solcher, der im ebenen Kolbenboden ausgespart ist, und praktisch die Gestalt einer mathematischen Hohlkugel aufweist und mit dem Raum über den Kolben durch eine nicht zu enge Drosselöffnung in Verbindung steht, besonders günstig ist. Der Grund hierfür liegt einmal in dem rein äusserlichen Umstand, dass die sonst vielfach bevorzugte scheibenförmige oder der Hauptsache nach scheibenförmige Gestalt des Verdichtungs- bzw. Verbrennungsraumes bei dem hohen Verdichtungsgrad von über etwa 23 nicht mehr die Möglichkeit zur Entwicklung eines ausreichend verteilten Brennstoffstrahles bietet, da die Zylinderdeckelunterseite und die Kolbenoberseite zu nahe aneinander rücken. Ein geballter Raum gibt aber diese Möglichkeit. Hinzu kommt, dass in einem solchen Raum das Verhältnis vom Inhalt zur wärmeabführenden Oberfläche besonders günstig ist, also die hochgetriebene Verdichtung sich auch wirklich praktisch auswirken kann, indem die angestrebte hohe Verdichtungstemperatur auch voll erzielt wird. Die erwähnte im Kolbenboden liegende Hohlkugel mit verhältnismässig weiter Drosselöffnung von einem Querschnitt, der etwa dem halben Kugelquerschnitt entspricht, mit schräg auf die Kugelmitte zu spritzendem gleichmässig mit Brennstoffteilchen erfüllten Strahlkegel, stellt nach Versuchen das überhaupt heute erreichbare Optimum in dieser Beziehung dar.

Hat diese Brennraumform schon bei den üblichen Verdichtungsgraden von etwa 17 die niedrigsten bekanntgewordenen Brennstoffverbrauchszahlen und den höchsten praktischen Ausnutzungsgrad der zugeführten Wärme erzielt, so bringt dabei die Steigerung der Verdichtung auf das Mass gemäss der Erfindung einen technischen Fortschritt, der vor kurzem noch als unerreichbar galt, denn bei einer solchen Bauart hat das Verhältnis von der im eigentlichen Verbrennungsraum enthaltenen Luft zum Gesamtinhalt des ganzen Verdichtungsraumes den höchsten überhaupt erzielbaren Wert und auch bei dem Verdichtungsgrad von über etwa 23 ergibt sich selbst bei kleinen Zylinderdurchmessern noch ein Brennraum von ausreichender Grösse für eine günstige Entwicklung des Einspritzstrahles.

Abbildung 2 der Zeichnung stellt einen Dieselmotor gemäss der Erfindung mit der eben geschilderten Form des Verbrennungsraumes für (Epsilon) gleich etwa 30 dar. Im Boden des Kolben 1 befindet sich der Hohlkugelraum 2, der mit dem Raum über dem Kolben, dem sogenannten Zylinderspaltraum 4 durch eine weite Drosselöffnung in Verbindung steht, deren Querschnitt etwa halb so gross wie der grösste Querschnitt der Kugel ist. Die Düse 5 ist schräg zur Zylinderachse so eingesetzt, dass die Achse des Brennstoffstrahles auf die Kugelmitte zu gerichtet ist, diese und Kugel liegen ausserhalb der Zylinderachse.

Claims (1)

1. Dieselmotor, insbesondere schnellaufender Fahrzeugdieselmotor, der mit norlamen aliphatischen Brennstoffen betrieben wird, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

   Verdichtungsverhältnis (Epsilon) höher als es die Bedingung der Selbstzündung verlangt, also von mehr als etwa 23.

   Brennraum von kugeliger oder kugelähnlicher Gestalt, der so angeordnet ist, daß im oberen Totpunkt die gesamte verdichtete Luftladung, vom Kolbenspaltraum abgesehen, in geballter Form der Einspritzdüse vorgelagert ist.